Спосіб утилізації радіоактивно забрудненого металобрухту

Реферат: Винахід належить до металургії. Спосіб утилізації радіоактивно забрудненого металобрухту включає підготовку і завантаження шихти в піч, проведення плавлення, випуску і розливання металу. До складу шихти включають радіоактивно забруднений металобрухт, радіоактивність якого не перевищує максимально допустимого значення. Кількість радіоактивності, яка вноситься, розраховується заздалегідь і визначається допустимою величиною поверхневої активності готових виробів. Даний спосіб не вимагає попередньої дезактивації металобрухту, а його висока ефективність обумовлена ефектом поглинання іонізуючого випромінювання металом. UA 109157 C2 (12) UA 109157 C2 UA 109157 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до металургії, зокрема до утилізації радіоактивно забрудненого металобрухту. В промисловості та ядерній енергетиці постійно створюється та накопичується велика кількість радіоактивно забрудненого металобрухту (РЗМ). Забрудненість обумовлена наявністю на поверхні металобрухту радіоактивних елементів (РАЕ), які є джерелами іонізуючого випромінювання. В зв'язку з цим, актуальним є питання розробки та застосування ефективних способів його утилізації. В основному, забруднений металобрухт ховають в могильниках або зберігають на відкритих майданчиках. При цьому займаються значні площі земної поверхні та виводиться із господарського обороту велика кількість дорогого металу. Для забезпечення можливості вторинного використання такого металобрухту необхідно провести його дезактивацію. При переробці РЗМ можуть використовуватися різні способи дезактивації (механічні, хімічні, гідравлічні і інші), але вони далеко не завжди забезпечують необхідні ступені очищення від поверхневих забруднень, і, до цього ж, створюються нові радіоактивні відходи, які потребують утилізації. На сьогодні найефективнішим є спосіб пірометалургійної дезактивації, коли РЗМ розплавляють і переводять значну частину радіоактивних елементів в шлак. При цьому рівень забрудненості металобрухту доводиться до значення, яке менше допустимої межі, що дозволяє використовувати його в металургії в якості шихти. Відомий спосіб переробки металевих відходів, взятий за аналог, які містять радіоактивні речовини [1]. У відповідності з даним способом, плавлення металевих відходів виконують з добавкою флюсів, що призводить до переведення із РЗМ в шлак радіоактивних ізотопів майже всіх металів, які знаходяться в розплаві. В якості прототипу вибрано відомий спосіб переробки металевих радіоактивних відходів [2]. Згідно з даним способом, плавлення РЗМ ведуть безперервно з добавками спеціальних флюсів для кращого відділення дезактивованого металу від радіоактивного шлаку. Завантаження шихти та випуск металу і шлаку виконують періодично. Причому випуск металу і радіоактивного шлаку робиться роздільно, що, як вважається, підвищує чистоту металу. До основних недоліків цих технічних рішень слід віднести складність здійснення технологічного процесу, складність контролю та регулювання процесу дезактивації РЗМ, а також необхідність використання спеціальних плавильних агрегатів. Це обумовлює невисокі техніко-економічні показники розглянутих способів одержання металу, придатного в подальшому для повторного використання в металургії як шихти. До того ж, залишається велика кількість радіоактивного шлаку, який підлягає подальшій утилізації. Технічний результат полягає в тому, що пропонується спосіб, який враховує ефект поглинання іонізуючого випромінювання в об'ємі розплавленого металу. При цьому створюються умови для суттєвого збільшення кількості металу, який повертається в господарський оборот, при більш високих техніко-економічних показниках, ніж в відомих способах. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в даному способі пропонується використовувати для утилізації РЗМ існуючі металургійні плавильні печі з типовими технологіями виготовлення металевих виробів. У самому загальному вигляді такі технології складаються з чотирьох основних операцій: підготовки шихти, до складу якої входить металобрухт та інші необхідні компоненти; завантаження в піч шихти; її плавлення; випуск та розливання металу [3]. Запропонований спосіб відрізняється від відомих тим, що до складу шихти включають РЗМ без його попередньої дезактивації. Максимальна кількість РЗМ, яка може бути завантажена в піч, попередньо розраховується по значенню допустимого рівня радіоактивності готових виробів. Даний спосіб утилізації РЗМ реалізується за рахунок того, що при плавленні шихти РАЕ, які знаходились на поверхні РЗМ, переходять в розплав і розподіляються по об'єму рідкого металу рівномірно. Розподіл РАЕ в даному випадку описується такими параметрами, як об'ємна активність та питома активність. Такий перерозподіл РАЕ суттєво впливає на поверхневу активність розплавленого металу. Поверхнева активність розплавленого металу формується сумарним іонізуючим випромінюванням РАЕ, які знаходяться в розплаві. При цьому необхідно враховувати поглинання цього випромінювання металом. Ступінь ослаблення випромінювання залежить від віддалення його джерела від поверхні, на якій визначають активність. Для спрощення математичних виразів, за допомогою яких далі пояснюється суть запропонованого способу, припустимо, що розплавлений метал має форму паралелепіпеда з площею S площини, на якій 1 UA 109157 C2 визначають активність, і довжиною d. Скориставшись відомою методикою розрахунку, яка наведена, наприклад, в [4, с. 201-202], можна отримати вираз для активності на поверхні розплавленого металу, який має вигляд а`=(a∙d0,5/0,693d)∙[1-exp(-0,693d/d0,5)], Бк, (1) 5 10 де а` - активність розплавленого металу на його поверхні, Бк, а - активність РЗМ, завантаженого в піч, Бк, d0,5 - шар половинного ослаблення металу, який виплавляється, см. Повну активність об'єкта можна розрахувати по відомому значенню його поверхневої активності. Врахуємо, що повна активність джерел іонізуючого випромінювання в розплаві a=Av∙V, Бк, 3 15 де Av - об'ємна активність розплаву, Бк/см , 3 V=S∙d - об'єм розплаву, см . Після нескладних перетворень отримаємо вираз для розрахунку поверхневої активності розплаву As 2 As=a`/S=(a∙d0,5/0,693V)∙[1-exp(-0,693d/d0,5)], Бк/см . 20 Свого максимального значення цей вираз набуває при d>>d0,5 2 Asmax=a∙d0,5/0,693 V,Бк/см . 25 30 35 (3) Отримані результати ілюструються за допомогою наведеного нижче графіка. На ньому показана залежність поверхневої активності As (вісь Y), нормованої до свого максимального значення Asmax, від довжини d (вісь X), нормованої до шару половинного ослаблення металу d0,5. Із графіка видно, що якими б не були розміри розплаву, значення його поверхневої активності не може перевищити величини Asmax. Причому, основний внесок в поверхневу активність розплаву вносять ті РАЕ, які знаходяться в приповерхньому шарі товщиною приблизно в 4d0,5. Випромінювання тих джерел, які знаходяться від поверхні далі, майже повністю поглинається металом. Цей висновок погоджується із змістом фізичних процесів взаємодії іонізуючого випромінювання із речовинами [4, с.16-20]. Таким чином, не всі джерела іонізуючого випромінювання, які знаходяться в розплавленому металі, беруть ефективну участь в формуванні активності на поверхні розплаву. Цей процес можна назвати самодезактивацією металу при його плавленні. Значення поверхневої активності при відсутності самопоглинання, тобто при припущенні, що в її формуванні беруть участь всі джерела іонізуючого випромінювання, які знаходяться в об'ємі розплаву, визначається із виразу 0 2 A s=a/S=(a/V)∙d, Бк/см . 40 (2) (4) Для кількісної оцінки дії самодезактивації іонізуючого випромінювання на рівень поверхневої активності, розглянемо відношення виразів (4) і (3) для випадку d>>d0,5, який завжди виконується в практиці виробництва металевих виробів шляхом плавлення. Це відношення можна назвати коефіцієнтом самодезактивації. Маємо 0 Кс=A s/Asmax=0,693d/d0,5. (5) 45 50 Все вищесказане повністю відноситься і до готових виробів з розплавленого металу. Оскільки об'ємна активність цих виробів така ж, як і розплавленого металу, а об'єм кожного окремого виробу не може бути більше об'єму розплаву, то і значення його поверхневої активності не може бути більше, ніж значення цього параметра для розплавленого металу. Проведений аналіз дає підставу сформулювати вимоги до кількості активності, яка вноситься в плавильну піч разом з РЗМ: ця кількість визначається нормами допустимого значення поверхневої активності готових виробів As доп.. Як випливає із (3), повна активність, яка вноситься в плавильну піч, не повинна перевищувати значення amax=(0,693∙V∙Asдоп.)/d0,5, Бк. (6) 2 UA 109157 C2 5 10 Таким чином, запропонований спосіб дозволяє, використовуючи існуючі плавильні печі, утилізувати РЗМ, який включають до складу шихти. Кількість такого РЗМ, яку можна завантажити в піч, забезпечивши при цьому неперевищення допустимого рівня забрудненості готових виробів, розраховується заздалегідь. Врахування ефекту поглинання металом іонізуючого випромінювання при його плавленні дозволяє суттєво підвищити техніко-економічні показники процесу утилізації РЗМ. Розглянемо можливості запропонованого способу з утилізації РЗМ на прикладі використання існуючих металургійних печей, які працюють у штатному режимі. 3 Приймемо, що маса розплавленого металу Μ=150 т. При питомій масі металу ρ м=7,86 г/см його об'єм 8 6 3 Vp=Μ/ρм=1,5∙10 /7,86=19∙10 см . Нехай розплав має форму куба. Тоді його сторона 15 1/3 6 1/3 2 d=(Vp) =(19∙10 ) =2,7∙10 см. Шар половинного ослаблення металу d0,5=2,6 см [5, с. 78]. Тоді, як це випливає з виразу (5), коефіцієнт дезактивації має значення 20 Кс=0,693∙270/2,6=72. 25 Згідно з [6], метали можна використовувати без будь-яких обмежень, якщо потужність експозиційної дози їх іонізаційного випромінювання не більша нормативно допустимого значення Рдоп.=30 мкР/год. Цей параметр, згідно з [4, с. 89, с. 240], може бути перерахований у відповідне значення поверхневої активності 2 Asдоп.=Кп∙Рдоп., Бк/см , 30 35 40 45 50 55 60 2 2 де Кп=3,7∙10 Бк∙год./мкР∙см - коефіцієнт перерахунку. 4 2 Після підстановки отримуємо Asдоп.=1,1∙10 Бк/см . На підставі отриманих даних, в розглянутому прикладі повна активність, яка вноситься до плавильної печі разом з РЗМ, не повинна перевищувати значення 4∙ 6 10 amax=(0,693∙1,1∙10 19∙10 )/2,6=5,6∙10 Бк. Даний спосіб дозволяє утилізувати РЗМ, насамперед, з низькою активністю, частка якого в загальній масі накопиченого РЗМ складає (80-90) %. Для розрахунку кількості РЗМ, яка може бути завантажене в дану піч, скористаємося джерелом інформації [7]. Згідно з наведеною в ньому класифікацією, до низькоактивних 5 7 відноситься РЗМ з питомою активністю в межах (10 -10 ) Бк/кг. Дозволений в даному прикладі 10 рівень повної активності 5,6∙10 Бк може мати маса РЗМ, залежно від його питомої активності, (5,6-560) т. Таким чином, в плавильну піч з масою розплаву 150 т може бути завантажена шихта, у складі якої може бути від 5,6 до 150 т РЗМ. Даний приклад підтверджує можливість практичного використання запропонованого способу утилізації радіоактивно забрудненого металобрухту. Джерела інформації: 1. Патент Росії 2159473 "Способ переработки металлических отходов, содержащих радионуклиды". Авторы: Лосицкий А.Ф., Ганза Н.А., Рождественский В.В., Касимов Р.Н., Зайков Ю.П., Гончаров А.И., Плеханов К.А., Солобоев И.С. Патентообладатель: ООО "Чистые технологии в промышленность плюс". 2. Патент Росії 2472862 "Способ переработки металлических радиоактивных отходов". Авторы: Голубев А.А., Гудим Ю.А. Патентообладатель: ООО Промышленная компания "Технология металлов". 3. Свинолобов Н.П., Бровкин В.Л. Печи чёрной металлургии: Учебное пособие для вузов. Днепропетровск: Пороги. 2004. - 154 с. 4. Максимов М.Т., Оджагов Г.О. Радиоактивные загрязнения и их измерение: Учеб. пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 304 с. 5. Кимель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. Изд. 2. М.: Атомиздат, 1972. - 312 с. 6. Державні санітарно-екологічні норми і правила з радіаційної безпеки при проведенні операцій з металобрухтом ДСЕНіП 6.6.1. - 0.79/211.3.9 001-02. 3 UA 109157 C2 7. Основні санітарні правила забезпечення радіаційної безпеки України № 54 від 02.02.2005 р. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Спосіб утилізації радіоактивно забрудненого металобрухту, що включає підготовку та завантаження шихти в плавильну піч, проведення плавлення, випуску і розливання металу, який відрізняється тим, що в склад шихти включають радіоактивно забруднений металобрухт, радіоактивність якого не перевищує значення, яке визначають за формулою: amax=(0,693∙V∙Asдоп.)/d0,5, Бк, де: amax - максимально допустиме значення радіоактивності в плавальній печі, Бк; 3 V - об'єм розплавленого металу в печі, см ; Asдоп. - допустиме значення поверхневої активності готових виробів, яке визначається 2 нормативними документами, Бк/см ; d0,5 - шар половинного ослаблення металом іонізуючого випромінювання, см. Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4